2020年1月呼和浩特市雾霾天气的气象成因分析

韩仙桃，佟 彤，姜佳玉，王俊秀，赵毅勇

(内蒙古自治区呼和浩特市气象局，内蒙古 呼和浩特 010020)

引 言

雾指大量微小水滴浮游空中，使水平能见度小于1.0 km的现象，能见度在1.0～10.0 km之间为轻雾；霾指大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10.0 km的空气普遍混浊现象[1]。雾和霾都属于大气气溶胶范畴[2]，有些气溶胶粒子具有较强的吸湿性，在湿度较高的环境下，干气溶胶粒子也会吸湿增长，就会出现雾和霾相互转换或者雾和霾相混合的情况[3-4]，常被称为雾霾天气。雾霾天气发生时大气气溶胶聚集在近地层，使大气污染增强、空气质量下降、能见度降低，对社会经济及人民生活产生重要影响[5]。因此，加强对雾霾天气的气象成因研究，对经济发展和人民生命财产安全具有重要意义[6]。

气象条件是导致雾霾天气的重要因素之一[7-8]。研究表明，东亚冬季风偏弱、500 hPa高压异常、500 hPa及地面风速偏低、对流层底层存在逆温层、高温和高湿等气象条件均是影响雾霾天气的重要因素[9-11]。雾霾天气的产生和维持受边界层结构的影响较明显[12]。当对流层低层有逆温层、大气处于稳定状态时，会限制污染物的垂直扩散[13-15]，逆温层越强，高度越低，则气溶胶浓度越大，对能见度的影响也越明显[16-17]。当雾霾天气出现时，细颗粒物(PM2.5、PM10)的污染程度较高[18-19]，影响各大城市空气环境质量的首要污染物是可吸入颗粒物PM2.5和PM10，其中PM2.5占比很高[20-21]。另外，受地形和城市局地环流的影响，污染物集聚并在高湿条件下的物理化学转化等过程共同作用可造成低能见度和持续霾天气[22]。

呼和浩特市位于内蒙古阴山山脉中段南麓与黄河北岸之间形成的冲积湖盆地内，地势由西南向东北逐渐增高，大气污染物易受北部山脉阻挡发生集聚，在不利气象条件下，极易形成重污染天气，冬季采暖期是呼和浩特市雾霾天气的高发期，雾霾发生时首要污染物往往以PM2.5为主[23-24]，对市民的生产生活影响较大。近年来，为有效改善秋冬季节空气环境质量，彻底解决季节性大气污染问题，呼和浩特市深入实施锅炉提标改造，严控露天焚烧，对散煤、柴油货车、工业炉窑、挥发性有机物(VOCS)、秸秆禁烧和扬尘等开展了一系列专项治理措施[25]。2013—2017年呼和浩特市环境空气质量总体有所改善，PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2和O36项大气污染物中除O3呈逐年升高趋势外，其他污染物质量浓度均有所下降[26]。尽管空气质量得到有效改善，但受不利气象条件影响，仍有阶段性雾霾天气出现。2020年1月呼和浩特市出现了2013年以来1月同期罕见的持续雾霾天气，影响日数高达29 d。呼和浩特市人民政府分别于当月5日、10日发布了重污染天气橙色预警，23日发布了重污染天气红色预警，持续不断的雾霾天气给当地防治大气污染及人民生产生活带来较大影响。因此，本文利用2013—2020年1月呼和浩特市环境监测数据、气象资料、北极涛动(Arctic Oscillation，AO)指数、ERA5再分析资料等，对2020年1月呼和浩特市雾霾偏多的气象成因进行分析，总结当地雾霾偏多的主要影响因素，以期提高雾霾天气预报能力，为防治大气污染提供参考。

1 资料与方法

1.1 资 料

所用资料包括：(1)2013—2020年1月呼和浩特市环境监测中心站8个国控点逐日和逐时平均空气质量指数(air quality index，AQI)。AQI共分为6级：0～50、51～100、101～150、151～200、201～300、301～500，分别对应优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染[27]；6种颗粒物(SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5)逐日平均质量浓度、逐日首要污染物；2020年1月包头市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、乌海市、乌兰察布市逐日AQI。(2)呼和浩特市地面气象站2013—2020年1月逐日平均相对湿度、逐小时2 min平均风向风速、逐日降水量、积雪日数、积雪深度及持续时间，11月至次年1月、12月至次年1月累计降水量；呼和浩特市探空站2013—2020年1月08：00(北京时，下同)和20：00逆温资料；该站3D激光雷达同期逐时边界层监测数据。(3)2020年1月呼和浩特市地面气象站日最小水平能见度、全市7个国家级自动气象站(呼和浩特市、呼和浩特郊区、土默特左旗、托克托县、清水河县、和林县、武川县)雾霾逐日天气现象记录。(4)气候背景分析主要用到2013—2020年美国国家海洋和大气局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)月平均北极涛动(AO)指数，欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF)最新一代的ERA5再分析资料(0.25°×0.25°)1991—2020年1月500 hPa、850 hPa平均位势高度、平均风场，气候平均值取1991—2020年平均。

1.2 方 法

对2013—2020年1月呼和浩特市探空站逐日08:00、20:00的逆温厚度、逆温强度进行计算。其中逆温厚度(D)定义为逆温层顶高度与逆温层底高度之差，具体公式[28]如下：

D=H2-H1

(1)

式中：D(m)为逆温厚度；H1、H2(m)分别为逆温层底、逆温层顶的高度。

逆温强度(I)表征不同等压面之间单位位势高度上温度的垂直递减率[29]，定义为高度每升高100 m时温度的增量，具体公式[28]如下：

(2)

式中：I[℃·(100 m)-1]为逆温强度；t1、t2(℃)分别为逆温层底、逆温层顶的温度。

2 雾霾天气概况

2.1 区域污染分布

2020年1月华北大部雾霾天气持续不断，受城市环境、地形等多种因素影响，各地又呈现不同的污染特征。图1为2020年1月内蒙古呼和浩特市及周边包头市、巴彦淖尔市、鄂尔多斯市、乌兰察布市、乌海市AQI日变化。可以看出，呼和浩特市、包头市、巴彦淖尔市污染程度和污染日数明显高于周边其他地区，其中呼和浩特市污染日数达29 d，包头和巴彦淖尔市均为26 d，乌海市、鄂尔多斯市、乌兰察布市分别为17、5、1 d。区域污染主要分布在黄河以北、阴山以南一带，说明污染物易在山前集聚，遇不利气象条件，更容易形成雾霾。鄂尔多斯市和乌兰察布市海拔高度明显高于呼和浩特、包头和巴彦淖尔市，扩散能力相对较好，雾霾明显偏少。乌海市位于黄河附近，湿度大、风力小，月内污染日数也达17 d，但主要以轻到中度污染为主。1月呼和浩特市发生4次重污染天气过程期间，除鄂尔多斯市、乌兰察布市外，其他相邻3市AQI均具有典型的区域同步变化特征，即重污染天气过程期间，AQI均不同程度同时升高，也有同时回落的特征，说明在同一气象条件下该区域污染具有相同的变化特征。

图1 2020年1月内蒙古6市AQI日变化Fig.1 The daily variation of AQI in six cities of Inner Mongolia in January 2020

2.2 本地雾霾天气概况

2020年1月呼和浩特市出现霾日、雾日、雾霾混合日分别为5、8、16 d。AQI监测显示2020年1月呼和浩特市仅有2 d优良天气，其余天气均为轻度污染以上。其中，轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染日数分别为5、6、15、3 d。污染持续期间，空气首要污染物均以细颗粒物(PM2.5)为主，其质量浓度范围为82～365 μg·m-3，以PM2.5为首要污染物的污染日数达29 d，与雾霾日数完全吻合，可见呼和浩特市1月轻度污染以上天气均由雾霾引起。在雾霾天气影响下，2020年1月呼和浩特市区最小水平能见度均值为1.8 km，最低时仅为68 m。图2为2020年1月呼和浩特市AQI、PM2.5质量浓度、能见度逐日变化及2013—2020年1月呼和浩特市雾霾污染日数的年际变化。可以看出，2020年1月AQI与首要污染物PM2.5质量浓度变化趋势高度一致，成明显的正比关系，二者与能见度呈明显的反位相变化，说明PM2.5质量浓度越高，AQI越大，水平能见度越低。2013—2020年1月同期，呼和浩特市污染日数有2个峰值，2013年1月污染日数为25 d，之后污染日数呈逐年下降趋势，2020年1月污染日数为29 d，为2013年以来1月同期污染日数最多。

3 雾霾天气的影响因素

3.1 大气环流背景

大气环流背景直接影响大尺度的流场和气压场，进而对污染物的堆积、扩散产生重要影响。纬向环流不明显的季节，气流南北交换明显，有利于污染物的扩散；纬向环流明显的季节，雾霾天气出现频率增多，污染物易于堆积，会形成重污染[30-33]。北极涛动(AO)指数是北半球冬季热带外行星尺度大气环流最重要的一个模态，对北半球及区域气候有重要影响。伴随AO指数的强弱变化，北半球中纬度地区与北极地区的气压和大气质量呈准正压性的反向变化。当AO指数处于正位相时，中纬度地区气压上升、极地气压下降，中纬度盛行纬向环流；反之，当AO指数处于负位相时，中纬度盛行经向环流[34-36]。对2013—2020年1月AO指数变化(表略)分析发现，2020年1月AO指数为2013年以来1月同期最大值(23.7)，说明2020年1月中纬度气压较往年偏高，极区气压偏低，中纬度盛行西风气流，即纬向环流，冷空气势力总体偏弱，中纬度一带呈现比历年更弱的冬季风环流特点，更有利于雾霾天气的产生。图3为2020年1月500、850 hPa平均位势高度场、风场及位势高度场和风场距平。可以看出，500、850 hPa西北地区以东、华北大部(90°E—120°E，40°N—50°N)均为明显的纬向环流控制，显示较弱的西风气流。500、850 hPa位势高度及风场距平显示华北大部、西北地区东部均为东南气流控制，说明2020年1月西北冷空气势力明显偏弱，这种较弱的环流背景更利于静稳天气增多，雾霾频繁发生。

3.2 湿度条件

3.2.1 相对湿度

对2020年1月雾霾天气统计分析发现，2020年1月雾日、雾霾混合日数远远大于霾日，地面逐日平均相对湿度均在63%以上，说明近地层高湿度条件对雾霾的形成具有较大作用。对呼和浩特市2013—2020年1月同期月平均相对湿度(表略)进行分析发现，2020年1月平均相对湿度最大(73%)，对应雾霾日数为29 d，2013年1月平均相对湿度(65%)其次，对应雾霾日数为25 d，其他年份的相对湿度与雾霾日数也有较好的对应关系。2013—2020年1月逐日平均相对湿度与雾霾日数呈显著正相关，相关系数为0.948，且通过α=0.01的显著性检验，即相对湿度大，对应雾霾日数多。较高的相对湿度不仅有利于颗粒物的吸湿增长，增强其消光性，还能促进部分气态前体物的二次转化[37-38]，在高湿环境下NO2的转化速率约是干燥条件下的6倍，硝酸盐生成加快[39]。2020年1月NO2、PM10、PM2.5平均质量浓度均为2013年以来1月同期极值，月均值分别为68、189、164 μg·m-3。说明静稳天气、高湿度条件对污染物浓度变化、消光、气态前体物的二次转化均具有较大影响。

图2 2020年1月呼和浩特市AQI、PM2.5质量浓度、能见度逐日变化(a)及2013—2020年1月呼和浩特市雾霾污染日数的年际变化(b)Fig.2 The daily changes of AQI, PM2.5 mass concentration and visibility in January 2020 (a), and inter-annual variation of haze days in January from 2013 to 2020 (b) in Hohhot of Inner Mongolia

图3 2020年1月500 hPa(a、b)、850 hPa(c、d)平均位势高度场(等值线，单位：dagpm)、风场(风矢，单位：m·s-1)(a、c)及位势高度场(等值线，单位：dagpm)和风场(风矢，单位：m·s-1)距平(b、d)(红色圆点表示呼和浩特市)Fig.3 The geopotential height field (isolines, Unit: dagpm), wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) (a, c) and anomaly of geopotential height field (isolines, Unit: dagpm ) and wind field (wind vectors, Unit: m·s-1) (b, d) at 500 hPa (a, b) and 850 hPa (c, d) in January 2020(The red dot represents Hohhot)

3.2.2 累计降水量

为了解累计降水量对雾霾日数的影响，将呼和浩特市2013—2020年每年前一年11月至当年1月、前一年12月至当年1月及当年1月的累计降水量与1月同期雾霾日数进行相关性分析，发现前一年11月至当年1月和前一年12月至当年1月的累计降水量与雾霾日数的相关系数分别为0.950和0.951，且通过α=0.01的显著性检验，当年1月的降水量与雾霾日数的相关系数为0.804，通过α=0.05的显著性检验。说明冬季累计降水量对雾霾日数的影响较大，统计发现2013年、2020年前一年11月至当年1月累计降水量相对较多，对应当年1月均出现长时间的持续雾霾天气；2018年、2019年前一年11月至当年1月累计降水量相对较少，对应当年1月雾霾日数均较少(表1)。

表1 2013—2020年1月呼和浩特市积雪日数、积雪深度、雾霾日数及前一年11月至当年1月累计降水量Tab.1 Statistics of snow days, snow cover depth, haze days in January and the accumulated precipitation from November of the previous year to January of that year in Hohhot of Inner Mongolia from 2013 to 2020

3.2.3 地面积雪

对2013—2020年1月同期呼和浩特市积雪日数(表1)进行统计发现，2013年1月积雪日数为30 d，积雪深度为1～4 cm，对应2013年雾霾日数较多(25 d)。2020年1月积雪日数为31 d，积雪深度为8～12 cm，对应2020年1月雾霾日数最多(29 d)。2014年和2019年无积雪日，雾霾日数相对较少，2018年积雪日数为6 d，但积雪深度仅为1 cm，前一年11月至当年1月累计降水量仅为1.5 mm，雾霾较少。说明积雪深度及积雪持续时间均对雾霾有一定影响。

综上所述，累计降水量、地面积雪增加均有利于雾霾天气的发生，但明显的降雪过程能抑制雾霾的生成。2020年1月5日12:00至6日04:00，全市普降中到大雪，开始降雪时仍有轻度污染存在，随着降雪湿沉降作用和冷空气输入，PM2.5质量浓度逐渐下降，6日05:00开始出现优良天气。可见，降雪和冷空气输入对污染物的清除扩散起到较好作用。6日降雪过后至7日白天，全市大部受高压控制，气温明显下降，出现3、4级西北风，水平和垂直扩散能力增强，因此出现整月仅有的2 d优良天气。7日17:00之后，风力减小，大气再次趋于稳定状态，配合较高的湿度条件和污染颗粒物，出现中度以上雾霾天气。之后，冷空气势力一直不强，偶尔出现一些弱降水，不但不能起到湿沉降作用，反而增加了细颗粒物的吸湿增长，加大了消光作用，从而出现更严重的雾霾天气。

3.3 风向风速

对于大气污染来说，风主要表现为平流输送的能力，较小风速不利于污染物水平扩散，局地风场辐合会使污染物汇合集聚。2013—2020年呼和浩特市1月同期2 min平均风速(v2)为0.8～1.5 m·s-1，说明本市1月平均风力均较小，其中2013年和2020年1月v2均为0.8 m·s-1，明显小于其他年份。2013—2020年呼和浩特市1月同期v2≤1.5 m·s-1和v2≤1.0 m·s-1的日数与雾霾日数的相关系数分别为0.778和0.939，且分别通过α=0.05、α=0.01的显著性检验，说明v2≤1.0 m·s-1更有利于本地雾霾生成和维持。2013—2020年呼和浩特市1月同期的最多风向均为偏东风和偏南风。图4为2020年1月呼和浩特市逐小时2 min平均风向、风速及AQI极坐标图。可以看出，2020年1月在较小的东南和西南气流控制下更有利于呼和浩特市中度以上雾霾天气的出现。

图4 2020年1月呼和浩特市逐小时2 min平均风向、风速及AQI极坐标图Fig.4 Polar diagram of hourly AQI, 2-minute mean wind direction and wind speed in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

3.4 逆温条件

表2列出2013—2020年1月同期呼和浩特探空站08:00和20:00逆温统计。可以看出，2013—2020年1月同期08:00、20:00逆温日数分别为29～31、23～30 d，每年1月均有较多的逆温日数，且主要以贴地逆温为主。08:00单层逆温厚度一般维持在60 m以上，最厚可达2038 m；20:00单层逆温厚度大多维持在60 m以上，少数为30 m以上，最厚为1655 m。08:00和20:00逆温强度分别为0.3～9.0、0.2～10.9 ℃·(100 m)-1。08:00和20:00均有2层以上逆温出现，最多有4层逆温，且20:00多层逆温出现次数一般大于08:00。综上所述，呼和浩特市1月逆温出现频率较高，可能原因是冬季地面为冷源，在夜间辐射降温的情况下，近地面层气温比高层气温低，容易形成逆温。早晨一般以辐射逆温为主，傍晚可能受地形影响出现地形逆温，当有天气过程影响时可能出现2层以上逆温。有雾霾出现时往往有逆温存在，但有逆温出现时不一定有雾霾出现，如2020年1月6—7日均有逆温存在，但无雾霾出现。

图5为2020年1月呼和浩特探空站08:00和20:00逆温高度及强度的日变化。可以看出，1月08:00、20:00逆温日数分别为31、29 d，逆温强度强、厚度薄对应较重的污染天气。1月25日出现月内最严重污染天气时，08:00和20:00逆温强度分别为7.4、10.9 ℃·(100 m)-1，逆温厚度较小，分别为68、34 m。说明逆温强度强、厚度薄，污染颗粒物在小范围内大量聚集，不易扩散，加大污染程度，导致能见度显著下降，极易出现严重雾霾天气。

表2 2013—2020年1月同期呼和浩特探空站08:00和20:00逆温统计Tab.2 Statistics of temperature inversion at 08:00 BST and 20:00 BST at Hohhot sounding station in January from 2013 to 2020

图5 2020年1月呼和浩特探空站08:00(a)和20:00(b)逆温高度及强度的日变化Fig.5 The daily variation of the height and the intensity of temperature inversion at 08:00 BST (a) and 20:00 BST (b) at Hohhot sounding station in January 2020

3.5 边界层特征

2020年1月呼和浩特市污染天气持续时边界层平均高度约430～550 m，最低约210 m，较低的边界层利于污染物在近地层集聚，导致能见度恶化，雾霾加重。图6为2020年1月呼和浩特市不同污染等级的边界层日平均高度分布箱线图。可以看出，优良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染天气下边界层高度的中位数逐渐降低，分别为697、561、465、390、342 m，说明污染越重，边界层高度越向下集中。边界层数据异常值较少，说明本次激光雷达测得的污染物边界层高度较稳定，可以反映边界层对雾霾的影响。

图6 2020年1月呼和浩特市不同污染等级的边界层日平均高度分布箱线图Fig.6 The boxplot of the daily average height of the boundary layer with different pollution levels in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

3.6 地形影响

图7为2020年1月呼和浩特市地形及7个国家气象站雾霾日数分布，其中呼和浩特市行政边界是基于内蒙古测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为S(2019)33号的标准地图制作，底图无修改。可以看出，呼和浩特雾霾日数中部最多，南部次之，北部最少。2020年1月呼和浩特市持续多日的雾霾天气与该地地形密切相关，呼和浩特市北部武川县处于阴山北侧，由于山脉阻挡和海拔高度较高，风力较大，雾霾天气相对较少。中部呼和浩特市区、土默特左旗位于阴山南侧的土默川平原区，地势由南向北逐渐增高，在没有冷空气活动或冷空气活动较弱时，受东西走向的阴山阻挡，气流容易在山前辐合形成东南风或偏南风，大量污染物和水汽易在山前堆积形成雾霾或使雾霾加重。托克托县紧邻土默特左旗，南部靠近黄河，雾霾日数接近中部。和林县、清水河县处于呼和浩特南部的丘陵地带，雾霾日数次多，主要以雾或轻雾居多。

图7 呼和浩特市地形(彩色填色区)及7个国家级自动气象站2020年1月雾霾日数(数字，单位：d)空间分布Fig.7 The spatial distribution of terrain (color shaded area) and haze days (the number, Unit: d) of 7 national automatic meteorological stations in Hohhot of Inner Mongolia in January 2020

4 结 论

(1)2020年1月内蒙古呼和浩特市雾霾日数偏多与大尺度环流背景有关。1月东亚大槽较常年位置偏东偏北、强度偏弱，中高纬环流经向度较常年偏小。北极涛动(AO)指数呈明显正位相，为2013年以来1月同期最大值。因此，中纬度一带呈现出比历年更弱的冬季风环流特点，不利于引导冷空气南下，对静稳天气的长期维持、雾霾频发具有重要影响。

(2)2020年1月呼和浩特市地面相对湿度长期维持较高，使轻雾与雾霾混合日偏多。前期累计降水量与1月雾霾日数呈显著正相关，累计降水量越多、积雪深度越深、积雪持续时间越长，则雾霾日数也越多，但明显降雪的湿沉降作用能抑制雾霾发生。

(3)2020年和2013年1月呼和浩特市雾霾日数偏多，分别为29、23 d，2020年和2013年1月呼和浩特市逐小时2 min平均风速均为0.8 m·s-1，风速明显小于其他年份，且逐小时2 min平均风速小于等于1.0 m·s-1更有利于雾霾天气的发生。风速较小、高湿度条件对雾霾的维持具有重要作用，但适合的大气环流背景又为较弱的风场和高湿度条件起到支撑作用。

(4)逆温是雾霾形成的必要条件。呼和浩特市1月早晚出现逆温的概率较大，早晨一般与辐射逆温有关系，傍晚可能受地形影响出现地形逆温，当有天气过程影响时可能出现两层以上逆温。逆温强度大、厚度小时会出现重度到严重污染。

(5)2020年1月呼和浩特市雾霾天气中部最多，南部次多，北部较少，且持续多日的雾霾天气与该地特殊地形密切相关。呼和浩特市中南部处于阴山南面，地形由西南向东北逐渐增高，污染物容易在山前集聚形成雾霾天气。北部武川县处于阴山北侧，海拔较高，风力较大，雾霾不易形成。

(6)2020年1月呼和浩特市污染天气持续时边界层平均高度较低，利于污染物在近地层集聚，导致能见度较低，雾霾加重，且污染越重，边界层高度相对越低。